標籤:複合材料多相多相材料

多相材料是指不同質物質共同「複合」成一種材料,該材料因為不同質而具有相界面,主要有固-固、固-液、液-液、氣-固、氣-液等相界面。

1多相材料概念的內涵

這裡所提的多相材料將是一個廣泛的概念,它的內涵不僅在整個材料的組成上和顯微結構上的多相結合,而且不拘泥於各自的形態。在工藝上博取各類材料之所長。在材料的性能上並不一定要追求高性能,而以實際使用上的要求為準則,這是符合於材料設計的思路的。同時,以材料的低成本製作,高的性能穩定性作為材料研究所追求的目標。
博取各類材料的先進工藝
由於材料的多相的組合,要選取的工藝當然不應限制於已有材料的固有工藝,而是應根據多相材料組合的需要,而選用各類材料的最先進的工藝。博取各類材料工藝之所長,「移植」各自的優點為我所用。
以使用上的要求為準則
對材料的高、新性能的要求是無可非議的,也是材料研究工作者義不容辭的責任。但是我們還應該更現實地對待實際使用上的要求。以最經濟的和最簡單的方法來得到所需的材料,以滿足實際使用上的要求,這才是對我們材料研究工作者的苛刻要求。
材料設計
多相材料將是材料設計的一個很好的研究對象。兩種或以上不同材料的不同組合,將體現出不同的材料性能。不同相的材料以不同的形貌、不同的幾何形式組合就可以獲得不同性狀的材料。這是按照使用上的要求,對材料進行設計的最好對象。如當兩種相的材料在同一方向上作組分上的遞增和遞減,這樣就構成了梯度功能材料。

2多相材料研究的思維方式

材料研究有幾千年的歷程。長時期以來,材料研究都是用經驗的思維方式進行,這在很大程度上是與當時的科學技術的水準有關。進入了上一世紀,材料科學在其它基礎學科發展的基礎上逐步地形成,材料研究可以藉助材料科學在理論上的指導,因而,大大地提高了材料研究的水平以及縮短新材料的研究周期。材料科學發展到今天,已經有可能使材料研究工作者根據使用上的要求對材料進行剪裁與設計。多相材料為材料的剪裁與設計提供了更為寬廣的思考餘地。但是,正由於材料研究具有長時間的經驗積累,不免會受到傳統思維的束縛。因此,本文提出不妨用「逆向思維」,嘗試在材料研究中運用。擺脫傳統的思維方式往往是開拓視野、找到創新之路的曙光。逆向思維就是對傳統思維反其道而行之。傳統思維的形成是取決於當地的周邊環境和條件的,因此並不一定仍然適用於當今的周邊環境和條件。這就為擺脫傳統思維提供了外部的促成因素。正因為如此,這也造成了傳統思維的固有缺陷,這是擺脫傳統思維的內部促成因素。
多相材料的提出,打破了原有各類材料的界限,這本身
就是一種逆向思維的結果。在多相材料系統的結合中,不妨跨越出以往大家都熟悉的論述,從相反的方向去考慮和試探,也許可以得到意想不到的收穫。例如,對兩相間的結合關係,如何結合? 是強還是弱更好? 兩相間的反應,利用這些反應還是避免或抑制它? 第二相的引入,以連續相為佳,還是以非連續相為好? 在陶瓷/ 金屬系統中,金屬是否一定要對陶瓷是潤濕的? 對陶瓷基材料有無可能擺脫佔據材料製作成本很大部分的燒結工藝,而又同樣可以發揮陶瓷材料一部分的特有性能? 如此等等。
之所以要這樣思考,是因為材料研究的最終目的是為了應用。宜只求實用而不一定要求其完善,以滿足使用上要求為目的,這是符合於經濟之道的。相反地,盲目地追求材料的高性能與完善,不僅是浪費,有時還可能弄巧成拙。而理論研究則儘可能求其嚴密,但也不忽視它的應用範疇。

3複合多相材料舉例

複合材料這個名詞是廣為人知的。從上一世紀的中葉,出現了用玻璃纖維作為增強劑的,以聚合物為基體的複合材料,中國人稱之為「玻璃鋼」。它以質輕、強度高、加工方便以及性能的可設計性而廣為人們所歡迎,在很多場合中得到廣泛的應用。之後晶須的出現,又形成了晶須作為增強劑的複合材料。於是,人們習慣地把用纖維或晶須作為增強劑的材料稱之為複合材料。對於陶瓷基的複合材料來說,纖維或晶須的引入,不僅只著眼於對材料的強度的提高,更重要的是期望達到彌補陶瓷材料的固有缺點———脆性對材料被廣泛使用的局限。為此,從中國的廣泛的辭彙中選用了「補強」兩字,即成為纖維(或晶須) 補強陶瓷基複合材料。它確實表現出了不僅在材料的強度上有極大的增強效果,更令人興奮的是它可以以數量級的提高來改進材料的斷裂功。這就意味著這種材料已經不是想象中那麼脆的了。因此,它可以承受極大的熱衝擊和機械衝擊。再加上無機材料本身又具有極好的耐燒蝕行為,所以纖維補強陶瓷二相加入到陶瓷材料中,由於彼此形態上的差異,要達到均勻的分佈是困難的。因此,「原位生長」具有一定長徑比的第二相物質而形成補強劑的途徑就被提出來了,構成了原位自補強的多相複合陶瓷材料。沿用第二相顆粒彌散所組成的多相複合陶瓷材料也就應運而生。再結合了氧化鋯的相變增韌機制和晶應力設計等的協同效應,多相複合陶瓷材料的研究取得了令人振奮的成就。它確實做到了不僅使陶瓷材料的強度達到大幅度的提高,對改善陶瓷材料的脆性上也達到了極佳的效果。因此,多相複合陶瓷材料由此而獲得了更為廣泛的應用,它不僅可以用作在高溫動態負荷下運作的陶瓷發動機的另、部件,兼之它的耐磨性能,還可以用作高溫軸承材料。陶瓷材料的化學穩定性使它們在化工領域特別是具有腐蝕性的環境中大有用武之地。總之,多相複合陶瓷材料由於它的的強度、好的斷裂韌性、優異的耐磨性能、卓越的抗腐蝕能力以及好的抗燒蝕性,可以使它在高溫動態高負荷的工況以及磨損和腐蝕的環境中服役。在金屬基複合材料中,以碳纖維、硼纖維或碳化硅纖維(或晶須) 作為增強劑都表現了優異的性能,但由於各種原因,諸如製作成本的高昂、基體與增強劑的界面問題或性能的均勻性等等,在一定程度上阻礙了它的被廣泛地應用。
於是,採用無機非金屬顆粒作為第二相的引入的研究成為熱點。如碳化硅顆粒增強鋁基複合材料,在對材料的強度、硬度以至耐磨性能等都有較大幅度的提高。在高分子材料中採用無機材料改性更是被廣泛地運用。
假如以多相複合的概念從陶瓷材料的範圍擴展到各類材料之間的組合,從現有的複合材料概念擴充到運用各類材料的先進工藝以至納米材料的工藝技術,形成廣泛意義的多相材料,有可能集各類材料之所長,又避免各自材料的弱點,而形成一類全新的材料。還可以博取各類材料工藝的優勢,找出簡便和便宜的材料製作工藝,這是一條低成本而製作高質量材料的思路,值得加以深入的探討和研究。

4可考慮的研究系統

多相材料並不受限於各類材料,它可以有很寬闊的選擇餘地。諸如陶瓷/ 金屬、陶瓷/ 聚合物、金屬/ 聚合物等系統,甚至為了特殊的需要,將三者組合在一起。單類材料本身的多相結合,在上一世紀已經有很多研究結果報道。例如,陶瓷材料的多相結合,形成了一大類復相陶瓷材料,它們都表現出了較之單相材料更為優異的性能。在金屬和有機高分子材料亦都是如此。總之,多相材料的提出,將成為本世紀材料研究值得注意的新趨向。
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